孫博 白樹海 華遠(yuǎn)峰 鄭磊

(1.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300051; 2.天津市寬達(dá)市政工程測繪有限公司，天津 300211)

近些年來，伴隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷壯大，社會(huì)發(fā)展的速度越來越快，一些原有的包括道路、橋梁、城市綠化在內(nèi)的城市基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)不能充分滿足人們的應(yīng)用需求，因此許多城市開始對交通、建筑立面更新以及城市家具等進(jìn)行相關(guān)的綜合整治工作，一方面可以促進(jìn)城市交通網(wǎng)發(fā)展，改善街區(qū)精致度;另一方面可以提升街區(qū)業(yè)態(tài)活性，豐富街區(qū)景觀，以更加充分彰顯城市發(fā)展的新面貌。但是在進(jìn)行城市基礎(chǔ)設(shè)施改造時(shí)，待改造設(shè)施周圍已有建筑物的保護(hù)、歷史建筑與歷史街區(qū)等不需要進(jìn)行改造的設(shè)施需要進(jìn)行保護(hù)，因此將街道兩旁的建筑物以立面的形式整體、統(tǒng)一的表現(xiàn)出來成為施工前的一項(xiàng)重要的準(zhǔn)備工作。因此在進(jìn)行施工工作前，需要用測繪手段獲取建筑物的相關(guān)信息。目前應(yīng)用較為廣泛的立面測繪的技術(shù)方法主要有人工量測法、全站儀法、三維激光掃描法、近景攝影測量法等。但傳統(tǒng)測繪方法會(huì)面臨工作量較大，精度較低等問題。如何能夠采用一種方法盡可能減少工作量的同時(shí)又能保證一定的精度是本文所要進(jìn)行研究的內(nèi)容，因此，本文采用了三維激光掃描儀對建筑物立面測繪進(jìn)行研究，以更好地適應(yīng)建筑立面測繪的要求［1-4］。

1 三維激光建筑立面測繪技術(shù)

1.1 三維激光掃描儀工作原理

目前，較為廣泛應(yīng)用于工程項(xiàng)目及科學(xué)研究的三維激光掃描儀的種類主要分為脈沖式三維激光掃描儀、相位差式三維激光掃描儀以及三角測距式三維激光掃描儀，其中，脈沖式的掃描儀應(yīng)用的更為廣泛。脈沖式三維激光掃描儀的工作原理是基于激光測距的原理進(jìn)行掃描的相關(guān)工作，通俗講就是利用掃描儀發(fā)射脈沖信號和接收激光信號返回的時(shí)間進(jìn)行測距，利用激光脈沖在瞬時(shí)集中較大能量的特點(diǎn)掃描獲取待掃描建筑物表面大量的密集的點(diǎn)的相關(guān)信息，之后根據(jù)所獲得的掃描信息經(jīng)過內(nèi)業(yè)處理后可以獲得建筑物的特征點(diǎn)、線、面，最終對被掃描物的整體信息進(jìn)行整理后進(jìn)行建筑物模型的建立。除此之外，在外業(yè)掃描過程中還會(huì)根據(jù)實(shí)際需要通過內(nèi)置或外置數(shù)碼相機(jī)獲取實(shí)體影像信息，從而記錄建筑物表面顏色信息，以備在后期進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)針對需要對掃描數(shù)據(jù)的點(diǎn)云進(jìn)行像素加載，從而有助于繪圖時(shí)對特征點(diǎn)進(jìn)行選取，可以進(jìn)一步提高可視化效果。

1.2 三維激光掃描儀工作技術(shù)路線圖

在前面我們介紹了三維激光掃描儀的一些工作原理，那么針對于三維激光掃描儀的工作原理并結(jié)合項(xiàng)目要達(dá)到的目標(biāo)成果，我們要制定掃描工作的整體流程。據(jù)此，我們制定了掃描工作的技術(shù)路線，總體技術(shù)路線如圖1所示。

2 立面測繪方法

根據(jù)所要測繪立面的建筑物實(shí)際情況以及現(xiàn)有的儀器設(shè)備(RIEGL VZ-1 000三維激光掃描儀)，本研究進(jìn)行了相關(guān)的測量工作。具體方法介紹如下。

圖1 立面測繪技術(shù)流程圖

1)現(xiàn)場情況調(diào)查及測繪方案的制定。根據(jù)現(xiàn)場需要掃描的建筑物的整體情況，包括建筑物的大小、形狀、掃描區(qū)域的分布等確定儀器的架設(shè)位置，由于后期處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)得到的建筑物立面掃描圖是根據(jù)同名像素點(diǎn)匹配進(jìn)行拼接得到的，且對于立面測繪結(jié)果不需要確定其位置，因此并不需要進(jìn)行架設(shè)點(diǎn)位置的測量，只需保證儀器能夠?qū)⒔ㄖ锪⒚孢M(jìn)行完整的掃描。因此根據(jù)該項(xiàng)目所要掃描的建筑物的實(shí)際情況，確定儀器的架設(shè)點(diǎn)位。

2)對掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)。數(shù)據(jù)預(yù)處理和配準(zhǔn)采用Riegl公司的軟件Riscan Pro。外業(yè)采集數(shù)據(jù)的工作完成后，需要進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理從而確定外業(yè)工作成果質(zhì)量。在數(shù)據(jù)完成與處理的工作后，則需要按照下列方法進(jìn)行站站間的配準(zhǔn):理論上講，站間數(shù)據(jù)配準(zhǔn)至少要選擇4個(gè)同名像素點(diǎn)對兩站的掃描的點(diǎn)云結(jié)果進(jìn)行拼接，粗配結(jié)束，采用ICP自動(dòng)精配，提高配準(zhǔn)精度。

3)對拼接后的點(diǎn)云圖像進(jìn)行去噪處理。由于我們在進(jìn)行建筑物立面測繪的外業(yè)掃描工作時(shí)，待掃描建筑物很多情況下都不是獨(dú)立存在的，在使用三維激光掃描儀對建筑物立面掃描時(shí)，會(huì)將大量不需要的建筑物、綠化等基礎(chǔ)設(shè)施及車輛、行人等事物的點(diǎn)云一起掃描進(jìn)來，這些非目標(biāo)掃描物的點(diǎn)云集合統(tǒng)稱為噪點(diǎn)。由于本項(xiàng)目采用儀器直接采集，因此必須設(shè)定為360°全景掃描，所以掃描結(jié)果包含了建筑物周邊的全部物體，這些多余的掃描信息不但使文件占用了額外的存儲空間，在對文件進(jìn)行處理時(shí)會(huì)降低效率，同時(shí)還對目標(biāo)掃描物的結(jié)果信息的提取造成了嚴(yán)重影響，所以需要對點(diǎn)云進(jìn)行去噪，即對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)要?jiǎng)h除掉建筑物周邊的其他地物。

4)真彩色模式顯示。在對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接和去噪處理后，對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行真彩色像素信息加載，對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行真彩色像素信息加載主要是為了進(jìn)行建筑物立面繪圖時(shí)，在提取特征點(diǎn)時(shí)可以更加清晰的找到對應(yīng)的特征點(diǎn)，提高內(nèi)業(yè)的工作效率。

5)建筑物立面圖的繪制。繪圖人員在電腦內(nèi)選擇立體觀測模式，對于較為容易分辨，特征比較明顯的點(diǎn)進(jìn)行選取，而后進(jìn)行三維量測，然后在獲得相關(guān)特征點(diǎn)及特征線的相關(guān)特性后，在AutoCAD中完成內(nèi)業(yè)成圖工作，得到最終的建筑物立面圖。

6)外業(yè)調(diào)繪、修補(bǔ)測。對于缺失較少或掃描質(zhì)量不高的小部分平面，可以采用盒尺等傳統(tǒng)的測量工具進(jìn)行補(bǔ)測，對于缺失較多部分的，應(yīng)當(dāng)采用激光掃描儀對缺失部分進(jìn)行掃描。在完成外業(yè)補(bǔ)測工作后，再對缺失部分進(jìn)行內(nèi)業(yè)成圖。

3 工程應(yīng)用

2018年6月，我單位承擔(dān)了某市樣板街工程項(xiàng)目。該項(xiàng)目需要在對道路兩旁的建筑進(jìn)行系統(tǒng)梳理的基礎(chǔ)上，按相應(yīng)風(fēng)格對部分建筑進(jìn)行立面改造。結(jié)合本項(xiàng)目天山海世界建筑(圖2是天山海世界部分外觀圖)的三維模型建立過程、立面圖繪制過程以及最終得到的成果對三維激光掃描技術(shù)在建筑立面測繪中的應(yīng)用進(jìn)行研究分析。

圖2 天山海世界現(xiàn)場示意圖

圖3 天山海世界局部點(diǎn)云配準(zhǔn)效果圖

1)根據(jù)現(xiàn)場需要掃描的建筑物的整體情況，包括建筑物的大小、形狀、掃描區(qū)域的分布等確定儀器的架設(shè)位置。由于天山海世界建筑不規(guī)則且建筑面積較大，為了得到完整的掃描圖像，圍繞天山海世界共架設(shè)了11站，對天山海世界進(jìn)行精細(xì)掃描。2)數(shù)據(jù)采集完后，需把數(shù)據(jù)導(dǎo)入到電腦中對數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接和去噪處理。進(jìn)行數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)與去噪之后，部分拼接配準(zhǔn)后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖3所示。從圖上可以看出，本次掃描點(diǎn)云拼接、配準(zhǔn)效果較好，點(diǎn)云密度足夠，能夠很好的呈現(xiàn)出天山海世界的建筑細(xì)節(jié)。3)點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波、去噪、拼接、配準(zhǔn)后，對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行真彩色賦色，以便更好的分辨建筑立面的細(xì)節(jié)，建筑真彩色顯示如圖4所示。然后利用Riscan軟件以立體觀測模式進(jìn)行三維量測，對一些特征性較為明顯、位置較為容易分辨的點(diǎn)進(jìn)行選取，之后量取這些具有明顯特征的點(diǎn)的三維距離，然后在AutoCAD中進(jìn)行繪圖，得到最終的建筑物立面圖，局部建筑平面圖、立面效果如圖5，圖6所示。

圖4 天山海世界點(diǎn)云真彩色效果圖

圖5 天山海世界平面結(jié)構(gòu)圖

圖6 天山海世界局部建筑立面圖

4 結(jié)語

針對于建筑物立面測繪的相關(guān)工作，免棱鏡全站儀法也可以在一定程度上提高外業(yè)效率，但是雖然相比于傳統(tǒng)測繪方法，免棱鏡全站儀法可以提高效率，但是免棱鏡全站儀方法的外業(yè)工作量依然較大，且針對于特征不明顯的點(diǎn)位不能保證進(jìn)行有效的識別。而三維激光掃描儀法與免棱鏡全站儀法相比可以進(jìn)一步縮短外業(yè)工作時(shí)間，且在處理內(nèi)業(yè)時(shí)由于可以看到建筑物的整體形狀及變化趨勢，而并非是一個(gè)一個(gè)的點(diǎn)，這樣可以針對外業(yè)測量成果更加準(zhǔn)確、有參考的進(jìn)行繪圖，可以進(jìn)一步提高可視化效果和工作效率。